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二阶常微分方程的第二解


如果已知二阶常微分方程的一个解 (y_1)

 y^('')+P(x)y^'+Q(x)y=0
(1)

则可以使用所谓的降阶法找到另一个解 (y_2)。根据阿贝尔微分方程恒等式

 (dW)/W=-P(x)dx,
(2)

其中

 W=y_1y_2^'-y_1^'y_2
(3)

是朗斯基行列式。

积分得到

 int_a^x(dW)/W=-int_a^xP(x^')dx^'
(4)
 ln[(W(x))/(W(a))]=-int_a^xP(x^')dx^',
(5)

求解 W(x) 得到

 W(x)=W(a)exp[-int_a^xP(x^')dx^'].
(6)

但是

 W=y_1y_2^'-y_1^'y_2=y_1^2d/(dx)((y_2)/(y_1)),
(7)

因此,结合 (◇) 和 (◇) 得到

 d/(dx)((y_2)/(y_1))=W(a)(exp[-int_a^xP(x^')dx^'])/(y_1^2)
(8)
 y_2(x)=y_1(x)W(a)int_b^x(exp[-int_a^(x^')P(x^(''))dx^('')])/([y_1(x^')]^2)dx^'.
(9)

忽略 W(a),因为它只是一个乘法常数,并且忽略常数 ab,因为它们会贡献一个与 y_1 非线性独立的解,剩下

 y_2(x)=y_1(x)int^x(exp[-int^(x^')P(x^(''))dx^('')])/([y_1(x^')]^2)dx^'.
(10)

P(x)=0 的特殊情况下,这简化为

 y_2(x)=y_1(x)int^x(dx^')/([y_1(x^')]^2).
(11)

如果已知二阶非齐次微分方程的两个通解,则可以使用参数变分法找到特解。


另请参阅

阿贝尔微分方程恒等式, 二阶常微分方程, 待定系数法, 参数变分法

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请引用为

Weisstein, Eric W. "二阶常微分方程的第二解。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/Second-OrderOrdinaryDifferentialEquationSecondSolution.html

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